Instrukcja do laboratorium 4 - MEiL

Autor:
W. Regulski
Info I: Lab 4
2. Zastąp ziarno generatora time(NULL) stałą liczbą. Co się wówczas stanie?
Informatyka I: Instrukcja 4
3. Zmodyfikuj program tak, by losował ciąg 40 liczb psedudolosowych i wypisywał je na ekran.
Liczby losowe
Generacja liczb losowych jest bardzo przydatna w wielu obszarach począwszy
od komputerowych gier w kości a na skomplikowanych symulacjach mechanicznych i kryptografii skończywszy. Poniższe zadania przedstawiają mechanizm
generacji liczb pseudolosowych w języku C/C++1 .
Generatory liczb pseudolosowych wymagają zastosowania tzw. ziarna czyli
liczby, która posłuży do inicjalizacji procesu losowania kolejnych liczb. Zazwyczaj do inicjalizacji generatora używa się czasu sczytywanego z procesora komputera, więc konieczne będzie dołączenie biblioteki time.h
Poniższy program generuje losową liczbę całkowitą z przedziału 0 do
RAND MAX. RAND MAX jest zdefiniowane w bibliotece stdlib.h, jest ono
postaci 2n−1 np. 32767.
#include
#include
#include
#include
<stdio.h>
<math.h>
<stdlib.h>
<time.h>
void main()
{
int i;
srand ( time(NULL) );
//inicjalizacja generatora
i = rand();
//funkcja losująca liczbę
printf(" Wylosowana liczba to %d\n", i);
Creative Commons License:
Attribution Share Alike
4. Wypisz na ekran wartość RAND MAX.
Zazwyczaj interesuje nas konkretny przedział liczb. Aby określić kres dolny
oraz długość takiego przedziału musimy dokonać kilku transformacji na wylosowanych liczbach:
Po prostu bierzemy wyłącznie resztę z dzielenia przez zadaną długość przedziału i dodajemy kres dolny jak w poniższym fragmencie kodu:
//
kod losuje liczby z przedzialu [ 20 do 50 ]
int min = 20;
int max = 50;
int L = max - min + 1;
i = rand()%L + min;
operator % liczy resztę z dzielenia jednej liczby przez drugą. Tutaj, licząc resztę
z dzielenia wyniku losowania przez 31, otrzymujemy liczbę z przedziału 0 do 30.
Uwaga
Czy taki wzór będzie generował liczby losowe o rokładzie równomiernym? W
domu zastanów się nad lepszym rozwiązaniem, a poniżej wykorzystaj to najprostsze.
Ćwiczenia
}
Ćwiczenia
1. Wykonaj powyższy program kilka razy z rzędu. Co możesz powiedzieć o
wyniku?
1 Mówimy, że generowane liczby są pseudolosowe, gdyż niemożliwe jest wygenerowanie
prawdziwie losowego ciągu liczb. W praktyce świetnym źródłem ciągów liczb losowych są
dane uzyskiwane z natury np. dane meteorologiczne (www.random.org).
Wydział Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa, Politechnika Warszawska
1. Zmodyfikuj powyższy program tak, aby generował liczby z przedziału od
0 do 100.
2. Wybierz krótki przedział (rzędu kilku możliwych do wylosowania liczb)
i wykonaj 1000 oraz 10000 losowań. W obu przypadkach zliczaj, ile razy
wylosowano każdą liczbę.
3. Wynik (informację o tym, ile razy wylosowano każdą z wartości) wydrukuj
na ekranie. Co możesz powiedzieć o rozkładzie tego losowania?
1
Autor:
W. Regulski
Info I: Lab 4
Liczby losowe typu rzeczywistego, rzutowanie
Creative Commons License:
Attribution Share Alike
Wynik działania powinien przypominać rysunek poniżej.
Do tej pory losowane liczby były liczbami całkowitymi. Często potrzebujemy
liczb zmiennoprzecinkowych. W tym celu po prostu przeskalujemy wylosowaną
liczbę tak, aby zawsze należała do przedziału 0-1. Wystarczy podzielić wylosowaną liczbę przez RAND MAX. Dodatkowo należy pamiętać, że wylosowana liczba jest typu całkowitego int, więc dzielenie przez RAND MAX da
nam zazwyczaj 0. Aby tego uniknąć, musimy przekonwertować typ int na typ
zmiennoprzecinkowy double. Taką operację nazywamy rzutowaniem. Rzutowanie ma bardzo szerokie zastosowanie i odnosi się nie tylko do operacji na
liczbach. Poniższy kod losuje liczbę z przedziału 0-1:
double x;
srand( time
(NULL)
);
// instrukcja (double) rzutuje typ int na double
x = (double)rand()/RAND_MAX;
Ćwiczenia
1. Napisz funkcję isInCircle typu int, która będzie losowała punkt w kwadracie [0, 1]×[0, 1] i zwracała wartość 1, jeśli punkt znajduje się wewnątrz
koła o promieniu 1. Jeśli punkt jest poza kołem, niech funkcja zwraca 0.
2. W programie głównym sprawdź, czy punkt wylosowany przez daną funkcję jest w obszarze koła, czy nie. Zauważ, że nie masz dostępu do współrzędnych wylosowanych przez funkcję. Funkcja zwraca tylko wartość logiczną.
3. Niech powyższa funkcja dodatkowo zaznacza dany punkt na ekranie. Jeśli
jest on wewnątrz koła, niech oznacza go kółkiem. Jeśli jest na zewnątrz,
niech oznacza go krzyżykiem. Najwygodniej będzie przeskalować dane
zaznaczenie 200-krotnie. Dodatkowo, narysuj na ekranie ćwiartkę koła o
promieniu 200 oraz kwadrat [0, 200] × [0, 200], aby było widać, że wylosowany punkt rzeczysićie jest wewnatrz koła.
Rysunek 1: Ćwiartka koła w kwadracie.
Liczenie przybliżeń liczby π metodą Monte Carlo
Koło wpisane w jednostkowy kwadrat ma powierzchnię równą π/4. Toteż losując punkty w kwadracie z prawdopodobieństwem π/4 trafiamy w obszar koła.
Dzięki temu, zliczając odsetek wylosowanych punktów, które trafiły do wnętrza
koła, możemy określić przybliżenie liczby π. Taka metoda zalicza się do metod
Monte Carlo3 .
Ćwiczenia
1. Przy użyciu poprzedniej funkcji policz przybliżenie liczby π. Wykonaj
10000 losowań.
2. Sprawdź, jak zmienia się dokładność przybliżeń, gdy wykonujemy coraz
więcej losowań. Wykonaj 100, 1000 i 100000 losowań.
3. * Wydrukuj na ekran zależność względnego błędu przybliżenia π od potęgi liczby 2 w zakresie 28 do 232 .
4. Wywołaj powyższą funkcję 100-krotnie, aby sprawdzić, jak działa2 .
2 Funkcję
zwracajacą typ możemy wywołać zarówno przypisując wartość, która jest przez
nią zwracana do jakiejś zmiennej np. a = isInCircle() jak i po prostu wywołać ją w programie bez przypisania, pisząc po prostu isInCircle(). Wówczas wartość zwracana przez
Wydział Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa, Politechnika Warszawska
funkcję przepadnie, ale wszystkie inne rzeczy, które się dzieją w funkcji (u nas jest to rysowanie), zostaną i tak wykonane
3 w Monte Carlo mieści się bodaj najsłynniejsze w Europie kasyno, stąd taka nazwa dla
metod losowych
2